机械工程前沿--机械微型化和大型化

机械工程前沿机械工程前沿 机械微型化和大型化机械微型化和大型化 1 1 引沿引沿 随着社会和科学技术的发展 微型化和大型化是机械领域的发展趋势之一 微型化是 21 世纪科技发展的总趋势之一 这种趋势在上一世纪的最后几十 年电子技术的发展中已得到充分体现 微电子领域的迅猛发展在信息与通讯科技 发展中的影响已超出多数人的想象 在以电话和电报为主要通讯手段的上世纪 80 年代 人们很难想象到同时具有照相 录像 录音 放音功能的手机会普及 到当前的广泛程度 在生产系统中 传统的生产系统中 即使最终产品的尺寸很 小 制造设备与其所加工 装配的零件尺寸相比还是很大 比如手表 照相机零 件一般长几毫米 重几毫克 使用的设备达几米 生产线达几十米 而设备及车 间的动力和材料消耗近似地与其体积成正比 因此配置与其所加工零件尺寸不相 称的大机床和厂房 浪费了能源 空间和资源 再者 由于航空航天 电子 医 疗等行业和部门 有许多微小零件采用传统机床无法加工或加工困难 尤其在空 间狭小 微重力 真空等特殊环境下 必须由小型或微型设备来实现 大型化也是机械领域一重要的发展趋势 大型化就意味着技术的提高和适应 条件的提升 为保证施工的方便与快捷 随着经济的快速发展 全球化的到来 贸易量的激增 要求机械设备具有很大的工作能力和工作效率 大型化的机械 设备具有很大的工作量 很好工作效率 能够节约很多的时间和人力资源 二 机械微型化二 机械微型化 2 12 1 微型机械概述微型机械概述 微型机械乏指尺寸范围为毫米 微米或纳米级 集微机构 微传感器 微驱 动器 微执行器和微控制器为一体的的微型机电系统 MEMS 中国在近十年期 间 通过微齿轮 微泵 微电机 微马达 微型飞机和微型陀螺等研究 在 MEMS 领域取得了突出进展 提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学 MEMS 技术已开始在我国的社会生产中发挥作用 如微操作机器人已开始用于生 物工程中的细胞分裂 显微手术和生物芯片的制造工艺 微传感器已民开始用 于飞行器的加速度 压力等参数的实时测量 纳米薄膜润滑技术已应用于火箭 和计算机硬盘的制造工艺 随着纳米技术的悄然崛起 纳米产品迅速出现在人类的各个领域 所谓纳米 技术是指在 0 1 100 纳米尺度范围内 研究电子 原子和分子内在规律和特征 并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术 其中 1 纳米等于 10 亿分之 一米 当物质被 粉碎 到纳米级细小并制成 纳米材料 不仅光 电 热 磁性发生变化 而且具有辐射 吸收 催化 吸附等许多新特性 可彻底改变 目前的产业结构 据预测 进入纳米时代后 世界上将会出现 1 微米以下的机器设备 有关资 料介绍 日本已用极微小的部件制成了直径只有 1 2 毫米的静电发电机 其体 积只有常规机器的万分之一 还有能够转动的机床以及直径仅 5 5 毫米的 尺 蠖 在我国也已有微直升飞机 微马达 微泵 微喷器 微传感器等一系列纳 米微机电系统元器件问世 由于纳米技术导致产品微型化 使所需资源减少 不仅可达到 低消耗 高效益 的可持续发展目的 而且其成本极为低廉 可 以预料 未来那些资源浪费 造价昂贵的庞然大物型机械设备将会逐步被淘汰 以实现资源消耗率的 零增长 2 22 2 迄今最快最小纳米发动机迄今最快最小纳米发动机 今年五月份左右 美国德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院科学家造 出了迄今世界上最小 最快 而且运转时间最长的微型发动机 如图 1 所示 该发动机比一粒盐要小 500 倍 能把电能转化为机械运动 达到每分钟 18000 转 相当于喷气式飞机上发动机的转速 而且能连续旋转 15 小时 相比之下 其他纳米发动机每分钟只有 14 到 500 转 只能转几秒到几分钟 图一 迄今最快最小纳米发动机 该校研究小组成功设计 组装了这种高性能纳米发动机 并在非生物系统中 进行了测试 纳米发动机由三部分组成 能迅速混合 泵出生化药剂 并能在 液体中运动 这些特征在未来应用中非常重要 这种纳米发动机是开发微型机 器的重要一步 微型机器能注入人体内 控制胰岛素以治疗糖尿病 瞄准或攻 击癌细胞而不伤害其他正常细胞 纳米发动机从各角度来量都不超过 1 微米 很适合在人体细胞内工作 为了测试其药物释放能力 研究人员在它表面涂了 一层生化药物纳米粒子 然后开始旋转 结果发现发动机转得越快 药物释放 得越快 能通过转速来制定和控制分子释放速度 这也意味着纳米发动机是第 一款能控制药物释放的机器 这有助于促进药物递送 细胞间通讯的研究 2 32 3 微型机械人广泛应用微型机械人广泛应用 由微型机械组装的微型机器人大有用武之地 可以从事大型机器人无法做的 收集信息和智能操作等各项工作 如图二为微型机械人 1 在工业上 微型机器人能够用来加工三维密集连接的硅片结构 制造下 一代更微小的超微型机器人 2 农业上可以用微型机器人将农药取而代之 因为撒在农田里的成千上万 的微型机器人能杀灭害虫 在确保庄稼收成好的同时还可避免作物和环境的污 染 3 在医学上 植入人体血管中的微型机器人能从大腿的静脉经由微细血管 送入心脏 它们首先用装在前端的摄像机 诊察 心脏血管内部的情况 然后 用安装在身上的微型手术刀做手术 4 军事上可利用微型机器人在海下监听噪音 在发现异常时喷洒出化学染 料 显示敌潜艇所处的位置 以便用导弹将其摧毁 哨所周围如果有装备了红 外传感器的微型机器人 站岗放哨 能够收集到入侵者兵力布署等信息 图二 微型机械人 三 机械大型化三 机械大型化 在机械生产中 为了提高生产效率 简化生产流程 降低基建投资和操作维 修费用等 要求机械设备向大型化发展 采用高效 节能 低能耗的大型设备 是必然的发展趋势 近年来这些大型设备成功的应用 证明了机械大型化的优 越性 3 13 1 全球起重能力最大的可移动门式起重机全球起重能力最大的可移动门式起重机 新世纪以来 大型化工程趋势加速 全球大型机械开始慢慢出现在众人面前 港口起重机也不断大型化 起重机械大型化是指起重机械的主要性能指标起重 重量或起重力矩在迅速地不断增大 全球起重能力最大的可移动门式起重机 宏海吊 如图 2 所示 目前正在进行总装合龙 预计今年年底 这座约 50 层楼高的庞然大物将矗立在长江入海口北侧 宏海吊 总重 14800 吨 相当于 两个埃菲尔铁塔的重量 总体造价约 3 6 亿元 耗费超过 1 1 万吨高强度钢材 它由两台跨度达 124 米 高度为 150 米的拱形门式起重机平行组合而成 建成 后最大起重能力有 2 2 万吨 是现有世界最大同类设备的 11 倍 建成后设备提 升高度最高为 65 米 可以轻松吊起整座重量过万吨的海洋钻井平台 宏海吊 改变了海工装备的制造工艺 它使得在海上船坞里建造的海工装备变成陆上制 造 可大幅减少海洋钻井平台的建造周期和建造成本 图二 全球起重能力最大的可移动门式起重机 宏海吊 3 23 2 世界单门提升能力最大的门式起重机世界单门提升能力最大的门式起重机 五月份左右 中国石油工程建设公司第一建设公司洛阳伊滨新区试验场传来 消息 世界单门提升能力最大的门式起重机已完成预制工作量的 90 进入调 试阶段 这套起重机获国家知识产权局五项实用新型专利授权 针对重量超过 2000 吨以上炼化加氢裂解反应器吊装难题 2012 年 1 月 一建公司立项研发世 界单门提升能力最大 操作系统最先进的 MYQ 型 5000 吨门式起重机 与英国多 门朗技术有限公司联合开发 实现控制系统 机电设备和液压顶升系统响彻等 关键技术的突破 这套门式起重机具有三大独特优势 可在承载 5000 吨负荷的 工况下滑移行走 其提升高度 160 米 跨度 35 米 提升速度每小时 30 米 采用 移动式吊装控制中心 以有线网络或无线网络对吊装过程进行整车控制 整体结 构采用模块化 由滑移系统 塔节系统 自安装系统 横梁系统 吊具系统 主提升系统 缆风绳系统和控制系统八大模块组成 可根据现场设备吊装重量 作业场地等灵活预组装 4 4 总结总结 微型化是各类产品今后的重要发展方向 有越来越多的市场需求 目前在 电子 信息 电器 医疗 生物等部门已表现出明显的发展势头就是例证 而 大型化设备得到了很快的发展 在